Основные понятия гидрологии (сток, расход, напор). Мощность и энергия водного потока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Петрозаводский государственный университет»

Кольский филиал

Кафедра Электроэнергетика и электротехника

Реферат

Дисциплина: “Теоретические основы нетрадиционных и возобновляемых источников электроэнергии”

Тема работы: «Основные понятия гидрологии (сток, расход, напор). Мощность и энергия водного потока»

Вариант №22

Студента 4 курса группа ВЭЭ/11-5 заочного отделения

Физико-энергетического факультета

Специальность: 2140400 «Высоковольтные электроэнергетика и электротехника»

Перминова А.И.

Научный руководитель (преподаватель) - Преп. Минин В.А.

Апатиты 2015

Гидрология _ наука, изучающая природные воды и происходящие в них явления и процессы. Начало формирования гидрологии относится к 17 в., однако как наука она окончательно оформилась лишь в нач. 20 в. Первое научное определение гидрологии дал В. Г. Глушков (1915). Гидрология принадлежит к числу наук о Земле (часто рассматривается как часть физической географии). Предметом изучения гидрологии в широком её понимании являются все виды вод гидросферы: океаны, моря, реки, озёра, водохранилища, болота, почвенные и подземные воды, а также воды атмосферы, сосредоточенные в парах.

В связи со специфическими особенностями объектов и методов их изучения гидрологи разделяется на три самостоятельные дисциплины: океанологию (гидрологию моря); гидрологию суши (изучает водные объекты суши); гидрогеологию (гидрологию подземных вод).

Гидрологию суши обычно разделяют на гидрологию рек, лимнологию (гидрологию озёр), гидрологию болот и гляциологию (гидрологию ледников). В зависимости от направленности гидрологических исследований иногда выделяют боле частные разделы, такие, как гидрология почв, гидрология леса, с.-х. гидрология и др. В результате тесного взаимодействия гидрологии с геофизикой и геохимией появились новые науки - гидрофизика и гидрохимия.

Осн. область исследований гидрологии - водный режим и водный баланс (гидрологический цикл), изучение круговорота воды в природе, пространственно - временнымх колебаний и изменений его элементов под влиянием природных и антропогенных факторов. В практическом приложении гидрология тесно связана сводным хозяйством и проблемами рационального использования и охраны поверхностных и подземных вод от загрязнения и истощения, с разработкой методов гидрологических расчётов и прогнозов. В последние годы всё большее развитие получает экологическое направление в гидрологии.

Гидрология - это наука, изучающая природные воды в пределах гидросферы. По изучаемым объектам она делится на океанологию (гидрологию океанов и морей) и гидрологию суши. Последняя включает гидрологию рек (учение о реках), озероведение (лимнология), гидрологию болот (болотоведение), гидрологию ледников (гляциология). В каждом объекте изучаются водный режим и водный баланс, динамика его водной массы (течения, волнения, перемешивание вод) и ложа (переформирование дна и берегов, движение наносов), тепловые процессы и агрегатные состояния вод (ледовые явления, снеготаяние, испарение), химические и биологические процессы.

Предмет изучения. Все виды вод гидросферы в океанах, морях, реках, озёрах, водохранилищах, болотах, почвенные и подземные воды.

Чем занимается

· Исследует круговорот воды в природе, влияние на него деятельности человека и управление режимом водных объектов и водным режимом отдельных территорий

· проводит анализ гидрологических элементов для отдельных территорий и Земли в целом

· даёт оценку и прогноз состояния и рационального использования водных ресурсов; пользуется методами, применяемыми в географии, физике и других науках.

Сток (В Гидрологии) - стекание в моря и понижения рельефа дождевых, талых и подземных вод, происходящее как по земной поверхности (поверхностный сток), так и в толще земной коры (подземный сток). Сток - составное звено влагооборота на Земле. Различают стоки русловой и склоновый (вне русла).

Речной сток -- перемещение воды в виде потока по речному руслу. Происходит под действием гравитации. Является важнейшим элементом круговорота воды в природе, с помощью которого происходит перемещение воды с суши в океаны или области внутреннего стока. Количественное значение стока в единицу времени называется расходом воды.

В гидрологии под речным стоком обычно подразумевается объём стока -- объём воды (или минеральных веществ, твёрдый сток), прошедшей через определённый створ в единицу времени, чаще всего год. Объединяет поверхностный сток (образующийся в результате осадков и снеготаяния) и подземный сток, формируемый за счет грунтовых вод. Речной сток за год является объективным показателем для определения полноводности реки. Ниже представлены 10 наиболее полноводных рек мира.

10 крупнейших рек мира по годовому стоку

Годовой сток полноводнейшей в Европе реки Волги составляет 243 кмі

Расход воды (в водотоке) -- объём воды (жидкости), протекающей через поперечное сечение водотока за единицу времени. Измеряется в расходных единицах (мі/с). В промышленности расход воды (жидкости) измеряется расходомерами.

В гидрологии используются понятия максимального, среднегодового, минимального и др. расходов воды. Наряду с расходом наносов является одним из руслоформирующих факторов.

В общем случае методология измерения расхода воды в реках и трубопроводах основана на упрощённой форме уравнения непрерывности, для несжимаемых жидкостей:

где: -- расход воды, мі/c; -- площадь поперечного сечения водотока (трубы или части русла реки, заполненного водой), мІ; -- средняя скорость потока, м/с.

В гидрогеологии и геологии вместо термина «расход воды» может использоваться термин «дебит» (например, «дебит скважины»), однако его использование носит локальный характер для этих специальностей и не распространяется, например, на родственную им гидрологию.

Напор (в гидравлике и гидромеханике) -- физическая величина, выражающая удельную, приходящуюся на единицу веса, механическую энергию потока жидкости в данной точке. Единица измерения напора в Международной системе единиц (СИ) -- метр, в системе СГС -- сантиметр.

Механическая энергия в данном случае означает полную энергию за вычетом тепловой составляющей. Другими словами, напор - это полная энергия за вычетом тепловой энергии, которой наделен каждый ньютон веса жидкости. гидрология сток напор вода

Полный запас удельной механической энергии потока (полный напор) определяется уравнением Бернулли и включает в себя:

· высоту рассматриваемой точки над плоскостью отсчёта (высотный напор в поле тяготения),

· давление жидкости, обусловленное упругим сжатием (гидростатический напор),

· давление жидкости, обусловленное скоростью потока (скоростной напор).

Вдоль потока напор уменьшается за счёт жидкостного трения. Разность напора (удельной механической энергии) в двух поперечных сечениях потока реальной жидкости называется потерянным напором (гидравлическими потерями, утратами напора).

Понятие о напоре используется при проектировании гидротехнических сооружений и решении многих задач гидравлики и гидродинамики. При использовании метода электрогидравлических аналогий гидравлический напор аналогичен электрическому напряжению (в то время как подача аналогична силе тока). Потерянный напор аналогичен падению напряжения.

Напор в гидравлике - линейная величина, выражающая удельную (отнесённую к единице веса) энергию потока жидкости в данной точке. Полный запас уд. энергии потока H (полный H.) определяется Бернулли уравнением (на след. стр.):

где z - высота рассматриваемой точки над плоскостью отсчёта, р_u - давление жидкости, текущей со скоростью u, g - уд. вес жидкости, g- ускорение свободного падения. Два первых слагаемых трёхчлена определяют собой сумму уд. потенциальных энергий положения (z) и давления (p_u/g), т. е. полный запас уд. потенц. энергии, наз. гидростатическим H., а третье слагаемое - уд. кинетич. энергию (скоростной H.). Вдоль потока H. уменьшается. Разность H. в двух поперечных сечениях потока реальной жидкости H₁ - H₂ = h_u наз. потерянным H. При движении вязкой жидкости по трубам потерянный H. вычисляется по Дарси - Вейсбаха формуле.

Формула Вейсбаха в гидравлике -- эмпирическая формула, определяющая потери напора или потери давления при развитом турбулентном течении несжимаемой жидкости на гидравлических сопротивлениях (предложена Юлиусом Вейсбахом в 1855 году):

Где: -- потери напора на гидравлическом сопротивлении; -- коэффициент местного сопротивления; -- средняя скорость течения жидкости; -- ускорение свободного падения; Величина называется скоростным (или динамическим) напором.

Формула Вейсбаха, определяющая потери давления на гидравлических сопротивлениях, имеет вид:

где: -- потери давления на гидравлическом сопротивлении; -- плотность жидкости.

Гидроэнергия -- энергия, сосредоточенная в потоках водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего используется энергия падающей воды. Для повышения разности уровней воды, особенно в нижних течениях рек, сооружаются плотины.

Первый широко используемый для технологических (см. Технология, Производство) целей вид энергии.

До середины XIX века для этого применялись водяные колёса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидротурбины.

До конца XIII века энергия вращающегося вала использовалась непосредственно, например для размола зерна на водяных мельницах или для приведения в действие кузнечных мехов и молота. Сейчас практически вся механическая энергия, создаваемая гидротурбинами, преобразуется в электроэнергию.

Мощность - тут нужно сделать маленькое отступление и объяснить, что в данной статье мы рассчитаем мощность водяного потока для плотинных или рукавных ГЭС, то есть в тех случаях, когда приложенная к лопастям турбины сила обусловлена давлением воды из-за падения с высоты. Как рассчитывается мощность потока воды для погружных ГЭС и других бесплотных ГЭС я расскажу в другой статье.

Мощность водяного столба упрощённо рассчитывается по формуле:

W_n = mgh,

Здесь W_n -- потенциальная энергия воды;

m -- масса воды, которая обрушивается за одну секунду на турбину;

g -- ускорение свободного падения, принятое за 9,8 м/с²;

h -- высота падения воды (от зеркала воды в точке забора и до выхода из турбины).

То есть для расчёта мощности нашей ГЭС, нам сначала необходимо узнать какое количество воды будет проходить через турбину за секунду. Как это сделать?

Расчёт для ручья лучше всего делать на достаточно длинном прямолинейном отрезки одинаковой глубины. В начало отрезка ручья по ходу движения воды бросаем любой поплавок(пенопласт, пробку и т.д.) и замеряем какое расстояние он проплыл за секунду. Далее рассчитываем примерное сечение водяного потока ручья на этом отрезке и его на длину прохождения поплавка за секунду. V (объём в секунду) = S (сечение ручья) * L (длину прохождения поплавка). Это и будет объем воды за секунду(если вы делали расчёты в сантиметрах то результат нужно поделить на 1000 для того чтобы узнать количество в литрах.

Допустим наш ручей имеет примерное сечение 50Х30 см и скорость движение потока в 1,2 м/с перемножая эти величины 0,5*0,3*1,2 мы получаем объём воды равный 0,18м3 (180 литров в секунду ), который гидроэнергетики называют бюджетом. Также возьмём за пример, что мы можем обеспечить перепад воды от точки забора до выгода из турбины в 2 метра и тогда потенциальная мощность нашего потока в ваттах будет рассчитываться как 180*9,8*2=3528 ватт.

Нужно также учесть что реальный КПД турбин редко превышает 80% а генераторов 90%. Так что максимальное значение вашей микроГЭС будет не выше 3 кВт (а скорее 2).

Размещено на Allbest.ru